Kiến thức cơ bản

- SAP 2000 tiến hành phân tích kết cấu dựa theo phơng pháp PTHH dựa vào mô hình tơngthích, tìm ra chuyển vị tại các điểm nút của các phần tử, từ đó tính đợc nội lực, ứngsuất..v...v..của

KiÕn thøc c¬ b¶n

Bài 1 : Mở đầu – các qui ớc cơ bản

I Giới thiêu:

- SAP 2000 (Structural Analysis Program) ra đời vào năm 1998 (Version 6.11) – ĐHAvenue – Mỹ

- Các phiên bản của SAP 2000 : + Nonlinear Version : phiên bản phi tuyến

+ Standard Version : phiên bản chuẩn

+ Plus Version : phiên bản nâng cao

+ Education Version : phiên bản dành cho học tập

- SAP 2000 dựa vào các phần tử mẫu nh: pt thanh, pt vỏ để mô tả các dạng kết cấu

- SAP 2000 tiến hành phân tích kết cấu dựa theo phơng pháp PTHH (dựa vào mô hình tơngthích), tìm ra chuyển vị tại các điểm nút của các phần tử, từ đó tính đợc nội lực, ứngsuất v v của phần tử

- Khả năng của SAP2000:

+ Tính năng giao tiếp: dễ sử dụng, dễ mô tả các dạng kết cấu, sửa đổi-in ấn thuận tiện Kết quả tính toán có thể xem trực tiếp trên màn hình hay đọc ở dạng văn bản

+ Khả năng tính toán-thiết kế: - Tính toán xác định ứng suất – nội lực của kết cấu

- Tải trọng có thể là tĩnh tải, hoạt tải, nhiệt độ

- Thiết kế KCBTCT theo các tiêu chuẩn: BS, ACI, AASHTO, CSA, EUROCODE, NZS

- Giải các bài toán kiểm tra kết cấu thép theo các tiêu chuẩn: BS, AISC, EUROCODE, CISC, AASHTO

- Các File dữ liệu:

*.SDB : file dữ liệu chính

*.S2k: file dữ liệu dới dạng text, có thể dùng các phần mềm soạn thảo văn bản để tạo dữliệu hoặc sửa chữa

*.OUT, *.TXT : file dữ liệu chứa các kết quả đợc xuất ra

II Giao diện:

- Hệ thống menu (Menu bar): File Edit View Define Draw Select

- Hệ thống thanh công cụ ( Tool bar) :

- Các cửa sổ hiển thị: có thể hiển thị từ 1ữ4 cửa sổ cùng một lúc

- Thanh trạng thái + hộp đơn vị chuẩn:

Để xây dựng mô hình kết cấu và thực hiện tính toán đợc nhanh chóng cần sử dụng kết hợp hệthống Menu, hệ thống các thanh công cụ

III Trình tự giải bài toán kết cấu bằng phần mền SAP2000:

5. Thực hiện tính toán ( chạy chơng trình)

6. Xem, biểu diễn, xuất kết quả

• Xác định các số liệu đầu vào:

• Xác đinh các yêu cầu tính toán, các kết quả cần tìm

• Xác định dạng hình học, tải trọng

• Rời rạc hoá kết cấu, chọn phần tử mẫu thích hợp

• Đánh số hoặc thay đổi số hiệu các điểm nút, phần tử nếu cần

• Định nghĩa các phơng án tải trọng, gán tải trọng cho phần tử

Thực hiện giải bài toán và Kiểm tra kết quả

Biểu diễn, xuất kết quả:

+ Bằng hình vẽ

+ Bằng File kết quả

IV Các qui ớc cơ bản :

1. Hệ thống đợn vị (Unit system):

Tuỳ từng bài toán mà chọn một đơn vị tính toán cho phù hợp Khi tính toán chơng trình tự

động chuyển toàn bộ về hệ đợn vị đã chọn ban đầu

2 Các hệ thống toạ độ (Coordinate systems):

- Hệ toạ độ tổng thể (Global coordinate system): OXYZ các trục toạ vuông góc với nhau

và hợp thành một tam diện thuận Có một hệ toạ độ tổng thể

- Hệ toạ độ con : để dễ dàng cho quá trình mô tả một bộ phận nào đó của kết cấu

- Hệ toạ độ địa phơng (Local coordinate system):

Mỗi nút, phần tử đều có hệ toạ độ riêng của nó, các trục của hệ toạ độ địa phơng đợc kíhiệu là: 1, 2, 3.

Các trục toạ độ địa phơng tuân theo qui tắc tam diện thuận.

* Với phần tử tấm vỏ:

+ Trục 3 (màu xanh): là trục pháp tuyến với phần tử (vuông góc với mặt phần tử).

+ Trục 2 và trục 3 hợp thành mặt phẳng thẳng đứng ⁄⁄ Z

* Hệ toạ độ địa phơng của nút (1, 2, 3) song song với các trục (X, Y, Z) của hệ toạ độ

tổng thể

3 Bậc tự do của nút (DOF – Degree Of Freedom):

- Là số thành phần chuyển vị của nút đó (DOF)

- Mỗi nút có 6 bậc tự do

- Các thành phần chuyển vị của nút đợc khống chế bằng điều kiện biên của nút (Joint

Restraints) hoặc dùng Menu Analyze > Set Analysis options để khống chế các chuyển

R3

- Bậc tự do của nút ứng với các phần tử khác nhau đợc thể hiện ở bảng sau:

Ui: các thành phần chuyển vị thẳng theo trục i

Ri: các thành phần chuyển vị xoay quanh trục i

V Hệ thống kết cấu mẫu:

- Khai báo hệ lới trong hệ toạ độ:

Menu File > New Model (Ctr+N) > Grid Only

Cylindrical : hệ toạ độ cầu.

- Hiệu chỉnh hệ lới:

Menu Define > Coordinate Systems/Grids > Modify/Show System

T¹i ®©y ta cã thÓ thªm, xo¸, di chuyÓn líi

theo)

a b c d

2. Các loại kết cấu mẫu (Template)

SAP2000 có sẵn 16 loại kết cấu mẫu thờng gặp trong thực tế, từ các kết cấu mẫu này ta có thểthêm, bớt, sửa đổi để đợc kết cấu mong muốn một cách dễ dàng

Để chọn một kết cấu mẫu:

Menu Menu File > New Model (Ctr+N)

Ngoại trừ hai lựa chọn đầu tiên (Blank; Grid Only), còn lại 16 lựa chon còn lại là 16 dạng

kết cấu mẫu thờng gặp trong thực tế

a. Hệ dầm liên tục: (Beam)

Beam Dimensions: Kích thớc dầm.

Number of Span : Số nhịp.

Span length : Chiều dài một nhịp

Use Custom Grid Spacing and Locate Origin: Dùng hệ thống lới để xác định vị trí và

kích thớc dầm

Section Properties : Đặc trng tiết diện.

định theo các tiêu chuẩn của nớc ngoài: chữ I, chữ T )

Restraints : Vẽ các liên kết mặc định.

b Hệ dàn phẳng (2D Trusses)

Height : Chiều cao của dàn

c Hệ thanh dàn không gian (3D Trusses)

Number of Stories : Số tầng

Top (Bottom) width along X,Y : Bề rộng của đỉnh (đáy) dàn theo phơng X, Y

Story height : Chiều cao 1 tầng.

d Hệ khung phẳng (2D Frames)

e Hệ khung không gian (3D Frames)

f Vách cứng: (Wall)

Number of Divisions X, Z : Số ô lới theo trục X,Z

Divisions Width X, Z : Chiều rộng một ô lới theo trục X-Z tơng ứng

g Kết cấu sàn phẳng (Flat Slab)

Number of Divisions X, Y : Số khoảng chia theo hớng X,Y

Divisions width along X, Y : Độ dài của mỗi khoảng chia theo hớng X,Y Milddle Strip width X, Y : Độ rộng của dải qua các gối đỡ theo phơng X,Y

Bài 2 : công cụ xây dựng hình học

A Công cụ xây dựng mô hình kết cấu

của nút với ba trục tơng ứng của hệ toạ độ tổng thể

Springs: Các thành phần của liên kết đàn hồi.

Plot Functions:

Chức năng chủ yếu của hộp thoại này là để ta xem các thông tin về nút và thay đổi vị trí nút.

2 Phần tử thanh (Frame):

a Vẽ phần tử thanh:

- Dùng Menu: Draw menu > Frame/Cable/Tendon – Lần lợt bấm trái chuột vào các

điểm cần tạo Frame, bấm ESC khi hoàn thành

Draw menu > Quick Draw Frame/Cable/Tendon (vẽ nhanh) – Bấm

vào đờng lới cần tạo Frame, bấm ESC khi hoàn thành.

- Dùng thanh công cụ: cũng có thể thực hiện đợc hai chức năng nh trên

Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc vẽ bằng cách chỉ trực tiếp trên màn hình, Sap2000 có hỗtrợ chế độ bắt điểm tự động (khi đang vẽ phần tử):

+ Dùng Menu: Draw > Snap to point / Line ends and midpoints / Intersection /

Perpendicular projections / Lines and edges

+ Dùng thanh công cụ: bấm các nút trên thanh công cụ khi dang vẽ phần tử

b Xem thông tin phần tử Frame:

Chọn phần tử Frame cần xem thông tin và click phải chuột trên phần tử đó

Coordinate System: Hệ tọa độ mà nút bắt đầu của phần tử thanh (I) tham chiếu

X, Y, Z: Tọa độ nút bắt đầu của phần tử thanh (nút I)

Coordinate System: Hệ tọa độ mà nút cuối của phần tử thanh (nút J) tham chiếu

X, Y, Z: Tọa độ nút cuối của phần tử thanh (nút J)

Releases: Các liên kết đợc giải phóng cho phần tử thanh.

Draw > Draw Poly Area : Vẽ phần tử vỏ tứ giác

> Draw Rectangular Area: Vẽ phần tử vỏ chữ nhật

> Quick Draw Area: Vẽ nhanh phần tử chữ nhật

- Dùng thanh công cụ ta cũng có thể thực hiện đợc ba chức năng trên:

b Xem thông tin phần tử Shell:

Chọn phần tử Shell cần xem thông tin và click phải chuột trên phần tử đó.

b quan sát và biểu diễn vật thể

1 Cửa sổ làm việc:

Ta có thể cùng lúc hiển thị từ 1ữ4 cửa sổ làm việc trên màn hình

Để định số cửa sổ làm việc: Menu Option > Windows

2 Chế độ biểu diễn và quan sát vật thể:

- Các xác lập để biểu diễn và quan sát vật thể nằm hầu hết trong Menu View.

- Chỉ có tác dụng với cửa sổ hiện hành

c Giới hạn không gian quan sát:

Menu View>Set Limit

- Đặt khoảng giới hạn theo các trục

d Xác lập các thông số biểu diễn vật thể:

Menu View>Set Display Options (Ctrl+E)Bấm phím tắt trên thanh công cụ:

Joint: C¸c chøc n¨ng hiÓn thÞ trªn mµn h×nh cña nót:

Frames/Cables/Tendons: C¸c chøc n¨ng hiÓn thÞ trªn mµn h×nh cña phÇn tö thanh:

Areas: C¸c chøc n¨ng hiÓn thÞ trªn mµn h×nh cña phÇn tö tÊm/vá.

Links: C¸c chøc n¨ng hiÓn thÞ trªn mµn h×nh cña phÇn tö phi tuyÕn NLLink.

Solids: C¸c chøc n¨ng hiÓn thÞ trªn mµn h×nh cña phÇn tö khèi.

General: C¸c th«ng tin hiÓn thÞ chung.

+ Extrude View: bật/tắt hiển thị các phần tử ở chế độ kích thớc thực 3D

e Phóng to – Thu nhỏ – Di chuyển hình ảnh

- Phóng to: Menu View > Zoom In One Step (Shift+F8)

- Phóng to trong khung hình chữ nhật: Menu View > Rubber Band Zoom (F2)

- Thu nhỏ: Menu View > Zoom Out One Step (Shift+F9)

- Thể hiện toàn bộ vật thể trong khung hình:

Menu View > Restore Full View (F3)

- Di chuyển hình ảnh Menu View > Pan (F8)

- Bật/Tắt các đờng lới: Menu View > Show grid (F7)

- Bật/Tắt biểu tợng hệ toạ độ: Menu View > Show Axes

- Vẽ lại toàn bộ cửa sổ: Menu View > Refresh View (F11)

c.Công cụ biến đổi hình học

1 Thêm một khối từ th viện mẫu vào kết cấu:

Đa thêm vào kết cấu đang có sẵn một khối kết cấu từ th viện mẫu

Menu Edit > Add to Model From Template (Ctrl+T)

2 Chọn đối t ợng:

Các cách chọn đối tợng (Select) và huỷ chọn đối tợng (Deselect) nằm trong Menu Select

- Chọn kiểu cửa sổ: Menu Select > Select > Pointer/Window

- Chọn theo đờng thẳng cắt qua các đối tợng:

Menu Select > Select > Intersecting Line

- Chọn theo nhóm: Menu Select > Select > Groups

Trớc khi chọn các đối tợng theo nhóm, ta phải:

+ Định nghĩa tên các nhóm trong Menu Define > Groups

+ Chọn các đối tợng muốn gán cùng một nhóm sau đó vào

Menu Assign > Group Name

-

- Để huỷ chọn đối tợng: Menu Select > Deselect >

3 Sao chép, cắt dán, xoá, di chuyển, tạo bản sao đối t ợng:

- Sao chép (Copy) : + Chọn đối tợng

+ Menu Edit > Copy (Ctrl+C).

+ Menu Edit > Paste (Ctrl+V): Nhập độ dịch chuyển của đối

tợng mới so với đối tợng gốc

- Cắt dán (Cut):

- Xoá đối tợng : + Chọn đối tợng

+ Menu Edit > Delete (Bấm phím Delete).

- Di chuyển đối tợng: + Chọn đối tợng

+ Menu Edit > Move (Ctrl+M), nhập độ dịch chuyển của đối

tợng mới so với vị trí ban đầu

- Tạo bản sao đối tợng (Replicate):

+ Chọn các đối tợng muốn tạo bản sao

+ Menu Edit > Replicate (Ctrl+R)

Linear : phát sinh tuyến tính.

Radial : phát sinh quay quanh một trục.

Mirror : phát sinh đối xứng qua một mặt phẳng.

- Menu Edit > Devide frame

hai đoạn cuối và đầu

+ Mesh into : Số phần tử theo hớng thứ nhất.

+ Mesh at : Chia phần tử theo các đờng lới giao với phần tử.

5 Nối các phần tử thanh:

Để gép các phần tử thanh cạnh nhau, nằm trên cùng một đờng thẳng thành một phần tử

- Chọn các phần tử thanh cạnh nhau (nằm trên cùng một đờng thẳng)

- Menu Edit > Joint Frames

6 Nối và cắt đứt các phần của kết cấu:

Tại cùng một vị trí trong không gian có thể có hai điểm nút cùng toạ độ, hai điểm nút nàythuộc về hai phần khác nhau của kết cấu

a Tách rời các phần kết cấu:

- Chọn các nút thuộc các vùng muốn tách rời

- Menu Edit > Disconnect

b Nối các phần kết cấu vào nhau:

- Chọn các nút thuộc các vùng muốn nối liền nhau

- Menu Edit > Connect

(Để phát hiện trong kết cấu có các nút hay các phần tử trùng nhau

7 Thay đổi số hiệu đối t ợng:

- Chọn các đối tợng cần thay đổi số hiệu

- Menu Edit > Change Labels

Bài 3 : Định nghi– - gán các đặc trng vật liệu, hình học

1 Định nghĩa loại vật liệu:

Các loại vật liệu sau khi đợc định nghĩa sẽ đợc gán vào các tiết diện, các tiết diện sẽ đợc gáncho các phần tử (thanh, tấm vỏ, )

Để định nghĩa các loại vật liệu ta làm nh sau:

- Menu Define > Materials

+ Add New Material : Thêm một loại vật liệu mới

Coeff of thermal expansion: Hệ số giãn nở vì nhiệt.

Specified Conc Comp strength, fc’: Cờng độ chịu nén của bê tông.

Shear Reinf Yield stress, fys: Giới hạn chảy (do cắt) của cốt thép.

Bending Reinf Yield stress, fy: Giới hạn chảy dẻo của thép

(cho kết cấu thép)

2 Định nghĩa tiết diện (đặc tr ng hình học):

Tiết diện đợc định nghĩa sau khi các loại vật liệu dùng cho kết cấu đã đợc định nghĩa

Để định nghĩa tiết diện ta làm nh sau:

a Định nghĩa tiết diện cho phần tử thanh (Frame):

- Menu Define > Frame Sections

• Choose Property Type to Add

trong th viện mẫu (do SAP đã tạo sẵn và đợc

lu trong File *.pro)

Các tiết diện đợc chọn sẽ đợc bổ xung vào cột Fine this property, sau

này ta có thể gán loại tiết diện đó cho các phần tử thanh trong kết cấu

Section Properties : Các đặc trng hình học của tiết diện ngang Set Modifiers: Hệ số nhân cho các giá trị đặc trng hình

học

- Một số loại tiết diện khác:

+ Tiết diện ch a định hình : tự khai báo các đặc trng hình học của tiết diện mà không quantâm đến hình dáng tiết diện

Menu Define > Frame Sections > Add General

Plastic modunlus about 3, 2 axis:

Radius of Gyration about 3, 2 axis: Bán kính quán tính của tiết diện

đối với trục 3, 2

Sau khi khai báo các đặc trng hình học tiết diện, SAP2000 sẽ tự đa ra một loại tiết diệnnào phù hợp với các đặc trng đã đợc khai báo ở trên

Cách khai báo này thờng dùng để định nghĩa tiết diện cho các thanh dàn

+ Tiết diện thay đổi (không lăng trụ): là tiết diện mà mặt cắt ngang theo chiều dài phần tửkhông giống nhau

Menu Define > Frame Sections > Add Nonprismatic…

Khai báo tiết diện thay đổi chỉ thực hiện đợc khi đã khai báo tối thiểu hai tiết diện

phơng 3 và phơng 2

b Định nghĩa tiết diện cho phần tử tấm vỏ (Shell):

- Menu Define > Area Sections > Add New Section

hớng chuẩn đang địnhnghĩa với hớng làm

việc thực của phần tử, mặc định góc này bằng 0.

uốn thuần tuý

Thick Plate: Phần tử tấm dày.

3 Gán các tiết diện đã định nghĩa cho phần tử

(Gán các đặc trng hình học của tiết diện cho phần tử)

• Chọn phần tử thanh – Menu Assign > Frame/Cable/Tendon > Frame Sections

• Chọn phần tử tấm vỏ – Menu Assign > Area > Sections

• Chọn phần tử - Dùng thanh công cụ

Bài 4 : Định nghi– - gán tải trọng

1 Định nghĩa tr ờng hợp tải trọng :

Một kết cấu có thể chịu nhiều trờng hợp tải trọng khác nhau, các trờng hợp tải trọng lại đợc

tổ hợp trong các tổ hợp tải trọng

Để định nghĩa các trờng hợp tải trọng ta làm nh sau:

a Khai báo các trờng hợp tải trọng tĩnh (Load Case Names)

- Menu Define > Load Cases

b Khai báo các trờng hợp tải trọng động (Bridge Loads)

- Menu Define > Bridge Loads >

2 Gán tải trọng:

a Gán tải trọng cho phần tử thanh:

Chọn các phần tử thanh muốn gán tải trọng

Menu Assign > Frame/Cable/Tendon Loads >

+ Khai báo hệ số trọng lợng bản thân trong

Define > Load Cases

(Hớng mặc định của trọng lợng bản thân ngợc chiều trục Z, tất cả các phần

tử trong kết cấu đều đợc tính trọng lợng bản thân)

+ Menu Assign > Frame/Cable/Tendon Loads > Gravity

Với cách này ta có thể gán trọng lợng bản thân của một số phần tử trong kết cấu, theo một hớng nào đó (X, Y, Z )

- Tải trọng tập trung trên phần tử thanh (Frame):

+ Menu Assign > Frame/Cable/Tendon Loads > Point

+ Dùng thanh công cụ:

Load Case Name: Tên trờng hợp tải trọng.

Load Type and Direction: Loại tải trọng và hớng tác dụng của tải trọng.